管式熱裂解反應(yīng)器出口溫度單回路控制系統(tǒng)模板

資料內(nèi)容僅供您學(xué)習(xí)參考，如有不當(dāng)或者侵權(quán)，請聯(lián)系改正或者刪除。1管式熱裂解反應(yīng)器概述及控制方案管式熱裂解反應(yīng)器是主要用于烴類熱裂解的反應(yīng)裝置。烴類熱裂解過程是指石油烴類原料(天然氣、煉廠氣、油田氣、汽油和重油)在高溫(700-1000℃)、隔絕空氣的條件下發(fā)生分解反應(yīng)而生成碳原子數(shù)較少、相對分子質(zhì)量較低的三烯(乙烯、丙烯和丁二烯)、三苯(苯、甲苯和二甲苯)等短褳烴的化學(xué)過程。管式反應(yīng)器從結(jié)構(gòu)上能夠分為單管反應(yīng)器和多管反應(yīng)器,多管反應(yīng)器是將多個管式電反應(yīng)單元并聯(lián)組裝成電反應(yīng)器;能夠是空管,如管式裂解爐,也能夠是在管內(nèi)填充顆粒狀催化劑的填充管,以進行多相催化反應(yīng),如列管式固定床反應(yīng)器。管式反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡單、加工方便,耐高壓、傳熱面積大,特別適用于強烈放熱和加壓下的反應(yīng)。管式應(yīng)器還具有容易實現(xiàn)自動控制、節(jié)省動力、生產(chǎn)能力高等特點,因此廣泛用于氣相、均液相、非均液相、氣液相、氣固相、固相等反應(yīng)過程。為保證管式反應(yīng)器內(nèi)具有良好的傳熱與傳質(zhì)條件,使之接近于理想反應(yīng)器,一般要求流體在管內(nèi)作高速湍流運動。熱裂解的原理:烴類熱裂解的過程十分復(fù)雜,不但裂解原料發(fā)生反應(yīng),而且生成物還會繼續(xù)反應(yīng),同一種烴也會發(fā)生不同的反應(yīng)。按反應(yīng)進行的先后順序,能夠反應(yīng)劃分為一次反應(yīng)和二次反應(yīng)。本次課程設(shè)計是要完成管式熱裂解反應(yīng)器出口溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計,采用的是單回路控制,單回路控制系統(tǒng)又稱簡單控制系統(tǒng),是指由一個被控對象、一個檢測元件及變送器、一個調(diào)節(jié)器和一個執(zhí)行器所構(gòu)成的閉合系統(tǒng)。單回路控制系統(tǒng)的有如下特點:系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、易于分析設(shè)計,投資少、便于施工,并能滿足一般生產(chǎn)過程的控制要求,因此在生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用。但單回路控制系統(tǒng)也有一些缺點,如系統(tǒng)適用于控制負(fù)荷變化較小的被控對象,如果負(fù)荷變化較大,無論選擇哪種調(diào)節(jié)規(guī)律,簡單控制系統(tǒng)都很難得到滿意控制質(zhì)量。2管式熱裂解反應(yīng)器溫度控系統(tǒng)工藝流程及控制要求管式熱裂解反應(yīng)器的主要任務(wù)是把原油或重油加熱到一定溫度,以保證下一道工序(分餾或裂解)的順利進行。反應(yīng)器的工藝流程為燃料油經(jīng)過蒸汽霧化后在爐膛中燃燒,被加熱油料流過爐膛四周的排管中,就被加熱到出口溫度。在燃料油管道上裝設(shè)一個調(diào)節(jié)閥,用它來控制燃油量以達到調(diào)節(jié)溫度的目的。其中燃料油壓力和過熱蒸汽壓力都能夠用專門的調(diào)節(jié)器保持其穩(wěn)定,以便把擾動因素減小到最低限度。從調(diào)節(jié)閥動作到溫度改變,這中間需要相繼經(jīng)過爐膛、管壁和被加熱油料所代表的熱容積,因而反應(yīng)很緩慢。工藝上對出口溫度要求不高,一般希望波動范圍不超過±1～2%?？刂屏鞒虉D如下所示:反應(yīng)物CTC出口溫度TCTC圖2熱裂解反應(yīng)器控制流程圖控制原理為經(jīng)過控制燃料的進料流量來控制溫度。3系統(tǒng)方框圖的確定根據(jù)控制流程圖和控制要求圖如下:干擾調(diào)節(jié)閥反應(yīng)器溫度控制器T調(diào)節(jié)閥反應(yīng)器溫度控制器—+測量變送元件測量變送元件圖6管式反應(yīng)器出口溫度單回路控制系統(tǒng)框圖4控制系統(tǒng)設(shè)計及參數(shù)的確定4.1控制系統(tǒng)被控變量的選擇(1)溫度調(diào)節(jié)器TC是根據(jù)原料的出口溫度與設(shè)定值的偏差進行控制。當(dāng)原料部分出現(xiàn)干擾后,控制系統(tǒng)并不能及時產(chǎn)生控制作用,克服干擾對被控參數(shù)的影響控制質(zhì)量差。當(dāng)生產(chǎn)工藝對原料出口溫度要求很嚴(yán)格時,簡單控制系統(tǒng)很難滿足要求。(2)被控變量的選擇:在一個生產(chǎn)過程中,可能發(fā)生波動的工藝變量很多,但并非對所有的變量都要加以控制。一個化工廠的操作控制大致上能夠分為三類,即物料平衡控制和能量平衡控制、產(chǎn)品質(zhì)量或成分控制、限制條件或軟限保護的控制。因而在進行自動控制系統(tǒng)設(shè)計時,應(yīng)深入了解工藝過程,找出對穩(wěn)定生產(chǎn)、對產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量、對確保經(jīng)濟效益和安全生產(chǎn)有決定性作用的工藝變量,或者人工操作過于頻繁、緊張,難以滿足工藝要求的工藝變量,作為被控變量來設(shè)計自動控制系統(tǒng)。根據(jù)工藝過程、工藝特點以及對控制的要求選熱裂解反應(yīng)器出口溫度,因為要得到穩(wěn)定的出口溫度。(3)操縱變量的選擇:由于種種外部的和內(nèi)在的因素,對工藝過程的穩(wěn)定運轉(zhuǎn)必然存在著干擾,因而在進行自動控制系統(tǒng)設(shè)計時必須深入研究工藝過程,認(rèn)真分析干擾產(chǎn)生的原因,正確選擇操縱變量,建立一個合理的控制系統(tǒng),以確保生產(chǎn)過程的平穩(wěn)操作。根據(jù)操縱變量的選擇原則選擇燃料流量為操縱變量,以保證出口溫度的穩(wěn)定。4.2系統(tǒng)各壞節(jié)分析(1)調(diào)節(jié)器PID控制:在溫度控制系統(tǒng)中,常采用PID控制來作為控制規(guī)律,PID控制器是一種線性控制器,它是根據(jù)給定值r(t)與實際輸出值c(t)構(gòu)成控制偏差將偏差的比例(P)、積分(I)和微分(D)經(jīng)過線性組合能夠構(gòu)成控制量,對被控對象進行控制,故稱PID控制器。它的控制規(guī)律為寫成傳遞函數(shù)形式為式中——比例系數(shù);——積分時間常數(shù);——微分時間常數(shù);選擇比例環(huán)節(jié),一階慣性環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為,適用于簡單加熱系統(tǒng),用于加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度,提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。越大,系統(tǒng)的響應(yīng)速度越快,系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度越高,但易產(chǎn)生超調(diào),甚至?xí)?dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。取值過小,則會降低調(diào)節(jié)精度,使響應(yīng)速度緩慢,從而延長調(diào)節(jié)時間,使系統(tǒng)靜態(tài)、動態(tài)特性變壞。(2)執(zhí)行器分析在溫度控制系統(tǒng)中,執(zhí)行器可看作一個比例環(huán)節(jié)。當(dāng)然,在整個控制過程中執(zhí)行環(huán)節(jié)有一定的滯后作用,可在控制過程中添加一個延遲滯后環(huán)節(jié)。對于在此看作比例環(huán)節(jié),不妨取比例放大倍數(shù)K=5。延遲滯后環(huán)節(jié),不妨取延遲時間τ=1。(3)變送器分析在變送檢測環(huán)節(jié)中,當(dāng)變化量較小時,可將該環(huán)節(jié)看作一個線性環(huán)節(jié),即同樣可看作是一個比例環(huán)節(jié),由于檢測變送滯后較小,因此取比例放大系數(shù)K=1。(4)被控變量特性根據(jù)能量守恒定律熱流失去的熱量等于冷流吸收的熱量C1、m1分別為高溫物體的比熱和質(zhì)量,C2、m2分別為低溫物體的比熱和質(zhì)量5儀表的選型(1)溫度變送器DZ-III型儀表采用了集成電路和安全火花型防爆結(jié)構(gòu),提高了儀表精度、儀表可靠性和安全性,適應(yīng)了大型化工廠、煉油廠的防爆要求。III型儀表具有以下主要特點:(1)采用國際電工委員會(IEC)推薦的統(tǒng)一信號標(biāo)準(zhǔn),現(xiàn)場傳輸信號為DC4～20mA,控制室聯(lián)絡(luò)信號為DC1～5V,信號電流與電壓的轉(zhuǎn)換電阻為250。(2)廣泛采用集成電路,儀表的電路簡化、精度提高、可靠性提高、維修工作量減少。(3)整套儀表可構(gòu)成安全火花型防爆系統(tǒng)。DDZ-III型儀表室按國家防爆規(guī)程進行設(shè)計的,而且增加了安全柵,實現(xiàn)了控制室與危險場所之間的能量限制于隔離,使儀表能在危險的場所中使用。DDZ-III型PID變送器主要由輸入電路、給定電路、PID運算電路、手動與自動切換電路、輸出電路和指示電路組成。調(diào)節(jié)器接收變送器送來的測量信號(DC4～20mA或DC1～5V),在輸入電路中與給定信號進行比較,得出偏差信號,然后在PD與PI電路中進行PID運算,最后由輸出電路轉(zhuǎn)換為4～20mA直流電流輸出。下圖給出了溫度變送器實物圖:圖3溫度變送器原理框圖(2)執(zhí)行器的選擇:從生產(chǎn)工藝安全出發(fā),燃料油調(diào)節(jié)閥選用氣開式,即一旦出現(xiàn)故障或氣源斷氣,調(diào)節(jié)閥應(yīng)完全關(guān)閉,切斷燃料油進入加熱爐,確保設(shè)備安全為了保證。執(zhí)行器可分為氣動、液動和電動執(zhí)行器。氣動執(zhí)行器是以壓縮空氣為能源的執(zhí)行器,主要特點是:結(jié)構(gòu)簡單、動作可靠、性能穩(wěn)定、故障率低、價格便宜、維修方便、本質(zhì)防爆、容易做成大功率等。應(yīng)用廣泛,因此選用氣動執(zhí)行器。圖4氣動執(zhí)行器(3)調(diào)節(jié)器的選擇:調(diào)節(jié)器是構(gòu)成自動控制系統(tǒng)的核心儀表,其作用是將參數(shù)測量值和規(guī)定的參數(shù)值相比較后,得出被調(diào)量的偏差,在根據(jù)一定的調(diào)節(jié)規(guī)律產(chǎn)生輸出信號,從而推動執(zhí)行器的工作,對生產(chǎn)過程進行自動調(diào)節(jié)。選用SK-808/900智能PID調(diào)節(jié)儀,如下圖所示:圖5SK-808/900智能PID調(diào)節(jié)儀智能PID調(diào)節(jié)儀與各類傳感器、變送器配合使用,實現(xiàn)對溫度、壓力、液位、容量、力等物理量的測量顯示、智能PID調(diào)節(jié)儀并配合各種執(zhí)行器對電加熱設(shè)備和電磁、電動、氣動閥門進行PID調(diào)節(jié)和控制、報警控制、數(shù)據(jù)采集、記錄。SK-808/900調(diào)節(jié)儀功能特點:萬能輸入功能、自動校準(zhǔn)和人工校準(zhǔn)功能、手動/自動無擾動切換功能、可選擇適應(yīng)加熱或制冷的正/反作用、控制輸出信號限幅、智能PID調(diào)節(jié)儀采用模糊控制理論和傳統(tǒng)PID控制相結(jié)合的方式,使控制過程具有響應(yīng)快、超調(diào)小、穩(wěn)態(tài)精度高的優(yōu)點,對常規(guī)PID難以控制的大純滯后對象有明顯的控制效果、智能PID調(diào)節(jié)儀增加了30段程序控制功能等。6Simulink仿真6.1控制系統(tǒng)仿真由以上各參數(shù)確定后可得系統(tǒng)的仿真結(jié)構(gòu)圖,具體參數(shù)整定過程可參見下圖查閱相關(guān)資料知,對于流量系統(tǒng),時間常數(shù)范圍較大,比例度要大,一般不用微分作用,要求較高時才加入積分作用。因此初步令TI=0,TD=0,延遲時間τ=1。圖7系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖KP=1;TI=0;TD=0;τ=1KP=5;TI=0;TD=0;τ=1KP=10;TI=0;TD=0;τ=1KP=15;TI=0;TD=0;τ=1KP=20;TI=0;TD=0;τ=16.2對PID參數(shù)的整定由相關(guān)資料可知,常見的調(diào)節(jié)器參數(shù)整定方法有:經(jīng)驗試湊法、臨界比例法、衰減曲線法。下面以經(jīng)驗試湊法為參考對本系統(tǒng)進行參數(shù)整定。經(jīng)驗試湊法就是根據(jù)被控變量的性質(zhì)在已知合適的參數(shù)(經(jīng)驗參數(shù))范圍內(nèi)選擇一組適當(dāng)?shù)闹缸鳛檎{(diào)節(jié)器當(dāng)前的參數(shù)值,然后直接在運行系統(tǒng)中,人為的加上階躍干擾,經(jīng)過觀察記錄儀表上的過渡過程曲線,并以比例度、積分時間、微分時間對過度過程的影響為指導(dǎo),按照某種順序重復(fù)試湊比例度、積分時間、微分時間的大小,直到獲得滿意的過度過程曲線為止。對于溫度系統(tǒng),其對象容量滯后較大,被控變量受干擾作用后變化遲緩,一般選用較小的比例度,較大的時間積分。經(jīng)驗試湊法簡單可靠,容易掌握,使用于各種系統(tǒng)。整定過程如下:KP=4;TI=0;TD=0;τ=1KP=4;TI=1;TD=0;τ=1KP=4;TI=3;TD=0;τ=1由上表PID各參數(shù)在不同設(shè)定值下的響應(yīng)曲線結(jié)果分析可得,比較理想控制的各參數(shù)整定結(jié)果可參考:KP=4;TI=0;TD=0;τ=1。7課程設(shè)計總結(jié)課程設(shè)計已經(jīng)做完了,從拿到題目,方案的設(shè)計到方案的確定,都經(jīng)過了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃伎?回路的設(shè)計,調(diào)節(jié)器的正反作用的確定,被控參數(shù)的選擇,使系統(tǒng)能夠達到設(shè)計目的。在設(shè)計中,遇到了許多困難,老師對該論文從開始的題目介紹,構(gòu)思到最后定稿的各個環(huán)節(jié)給予細(xì)心指引與教導(dǎo),同時,其它的同學(xué),在設(shè)計的過程中曾耐心給與幫助,使我得以最終完成這次關(guān)于管式熱裂解反應(yīng)器出口溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計。我們以前學(xué)習(xí)的知識都漸漸離我們遠(yuǎn)去,甚至不知道、不清楚哪些知識該用到哪些地方,什么時候用。學(xué)校安排了這次管式加熱爐溫度控制系統(tǒng)的課程設(shè)計,經(jīng)過自己查找資料,了解情況,讓我們清楚我們學(xué)的知識與現(xiàn)實工業(yè)生產(chǎn)之間的聯(lián)系,使得我們對知識更加了解和鞏固。經(jīng)過這次設(shè)計,我對過程控制系統(tǒng)在工業(yè)中的運